顶管施工技术在市政排水工程中的应用.pdf

第1 2 卷第4 期 2 0 1 3年 1 2月 石家庄铁路职业技术学院学报 J OURNAL 0F S HlJ IAZ HUANG l NS TI TUTE OF RAI L WA Y TE C HNOL OGY VOL． 12 NO．4 Dec． 2013 顶管施工技术在市政排水工程中的应用 徐秀梅 ( 中铁十八局集团有限公司 天津 3 0 0 2 2 2 ) 摘要：在市政排水工程中，非大开挖的顶管施工技术能够有效地降低对附近建筑筑物和道路、 管网的影响，目前被广泛应用。结合成都红星路南延线改造北支渠排水工程施工中成功应用顶管 施工技术的经验，简要论述顶管施工采取的技术措施和施工工艺，对于类似工程具有一定的借鉴 意义。 关键词：市政 排水工程 顶管施工 技术应用 中图分类号：U6 9 8 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 ． 1 8 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 ． 0 0 0 8 ． 0 5 1 工程概况 成都红星路南延线改造北支渠排水工程全长 5 2 1 ． 2 5 m， 里程桩号为 K 0 + 0 0 0 ． 0 0 ~K 0 + 5 2 1 ． 2 5 ， 北支 渠起点顺接府城大道H L ~ ,J 暗涵，经府城大道交叉口往北绕行于船槽段需穿过科华南路， 向东排入锦 江。科华南路属城市重要交通干道，考虑到施工期间保证科华南路交通的，由于北支渠最大埋深达 9 ． 5 m，自城市道路下穿隧道下方通过，同时该下穿隧道脸侧辅道内的管线极为复杂 ( 包括 2 条雨水 管、1条污水管、2条给水管、2条 l O k v电力浅沟、1条 l l O k v电力隧道、1条燃气管、1条通讯隧 道、2条路灯线、1条交通信号线、1条军用光光缆) 。大开挖埋管将对道路及其他管线产生极大影 响， 综合考虑以上因素设计对北支渠穿越科华南路段采用顶管施工，顶管施工为两排 C 5 0钢筋混凝土 平口管，管道外径 2 ．4 m，内径 2 ． 0 m，管道每节长度 2 ．0 m，顶管长度 2 6 8 ．0 3 1 = 1 3 6 ．0 6 2 m 。 根据地勘资料显示，地质结构自 上而下依次为：人工填土层 ( 包括杂填土、素填土)厚度 0 ～ 5 ． i m：冲积层 ( 包括砂层、卵石层 ( 包括松散、稍密 、中密、密实卵石) )厚度地面下 5 ． 1 ～1 7 ． 9 m。 顶管工程施工穿越松散、稍密卵石地层 。地下水位埋深 8 m左右。 2 顶管施工工艺 顶管施工拟划分为三大施工阶段，各阶段划分、控制重点和部署如下： ( 1 )第一阶段：准备阶段，包括技术准备、物资及材料准备、人员准备； ( 2 )第二阶段：工作井、接收井、导轨制安、千斤顶就位等施工阶段； ( 3 )第三阶段：顶管顶进施工阶段； 3 工作井设计及施工 收稿 日期：2 0 1 3 - 0 3 — 1 2 作者简介：徐秀梅 ( 1 9 7 6 - ) ，工程师，研究方向工程技术。 8 第 4期 徐秀梅 顶管施工技术在市政 排水工程 中的应用 3 ． 1工作井设置及尺寸确定 北支渠设一个工作井及一个接收井， 工作井顶管施工结束后改造为Y 8 检查井；接收井顶管施工 结束后改造 Y 9 检查井 。 3 ． 1 ． 1 工作井的最小宽度要求 计算公式：B = D 1 +2 b ； 式中：B 一工作井宽度( m ) ；D 1 一顶进圆管的外径， 2 ．4 m；b 一导向支架两侧的工作宽度，b值取 1 ．0 m o由于该顶管为双排， 圆管净间距 3 m ， 则 B = 2 ．4 X2 +3 ． 0 + 2 X1 ． 0 = 9 ．8 m，工作井的最小净宽度 9． 8m 。 3 ． 1 ． 2工作井的最小长度要求 计算公式： L = L l + L 2 + L 3 十 L 4 + L 5 式中：卜 工作井的长度 ( m) ；L 1 一圆管顶进后，顶管管节留出的长度取 0 ．5 m ；L 2 一管节长度， 2 m；L 3 一千斤项长度，1 ．5 m；L 4 一后背墙厚度，0 ．4 m；L 5 一取土工作长度，0 ．6 m；L = O ．5 + 2 ．0 + 1 ．5 +0 ． 4 + 0 ． 6 ： 5 m，工作井最小净长度为 5 m。 3 , 1 ． 3工作井平面尺寸确定 北支渠顶管工作井是利用检查井改造使用，原设计尺寸无法满足顶管尺寸要求。改造后净空尺 寸长度为 5 m，宽度为 1 0 ． 2 m。满足最小尺寸要求 。工作井见图 1 。 3 ． 1 ． 4工作井深度确定 工作井底板标高 4 8 1 ．3 9 2 ，管道内标高为 4 8 1 ．8 9 2 ，管道与底板之间净间距为 3 0 c m，满足导轨 安装所需要的高度。原地面标高为 4 8 9 ． 8 9 2 ，故工作井深度为 8 ． 5 m。 3 ． 2工作井施工 工作井开挖前 ，须按照设计点位布设降水井，采用管井法 降水 。 工作井、接收井支护采用围护桩及挂网喷锚防护。围护桩采用 C 3 0 砼，桩径 1 ． 0 m， 桩中心间距 安照图纸施作。 桩间护壁铺设钢筋网片， 钢筋网为08 @1 5 1 5 c m， 桩间连接采用 1 6 加强筋， 植入 桩身 1 6 c m深，间距为@1 5 0 c m， 北支渠顶管工作井、 接收井基础施作为1 0 c m厚C 1 5 垫层砼+ 4 0 c m厚C 3 0 钢筋砼。 后背墙为4 0 c m 厚 C 3 0钢筋砼 。工作井断面图见图 2所示。 4 顶管施工方法 4 ． 1力学计算 l j ． o + 、 — — 量 ● 7 一 窨J ／ ／ 魈 弛 一一 鑫 之 — 髓篮{ i j c l5 t 融 瞩1 。 c - 剧 埘 ．8 ’ 量 ， 夕 拈 I． 孢 } f ／／， ／ ， ／l／ 、支 I 喵 ／ ／ 、 图 1北支渠顶管工作井平面图 图2北支渠工作井断面图 9 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 3 年第 4期 ( 1 ) 顶管参数 。 北支渠顶管工程管道埋深平均在 8 ． 1 m， 管外径 2 ． 4 m， 内径 2 ． 0 m， 管壁厚 0 ． 2 m， 砼强度 C 5 0 ，管节长 2 m ，单顶程为 6 8 ．0 3 1 m。 ( 2 )顶管顶进力的计算 。按照 《 给水排水管道工程施工及验收规范》G B 5 0 2 6 8 --2 0 0 8( 6 ． 3 ． 4节) 公式计算。顶进阻力计算公式：F p = D O L f k + N F = 3 ． 1 4 1 6 X2 ． 4 X 6 8 ．0 3 1 X1 6 = 8 2 0 7 ． 0 9 K N = 8 2 0 ．7 T 式中： F p = 顶进阻力 ( K N ) ； D O 一管道的外径， 2 ．4 m；卜 管道实际顶进长度， 6 2 ．7 8 1 m； F I 管道外 壁与土的单位面积平均摩阻力， 根据地质情况描述及不确定因素并结合规范要求按 6 ． 3 ．4 ． 2 表中选用 最大值 1 6 k N ／ m2 。N F —迎面阻力， 顶管前挖土取值为 0 K N 。 ( 3 )管道允许项力。 ： 允许顶力计算公式为 K xl O 0 0 0 管道允许顶力 ( 管材混凝土强度= C 5 0时) ；式中：F 。 一允许顶力 ( t ) ； 0厂 混凝土设计强度等 级，5 0 MP a ；A S _ 一工作面积，1 3 8 2 3 0 0 mm2 ； I 安全系数，取 3 。 其 中 A s 计 算 公 式 为 ： [(牛)z 一 ( )z ] 式中：D w一管材外径 2 4 0 0 mm； D 一管材 内径 2 0 0 0 mm；代入数值得：C 5 0管材允许最大顶力 为 2 3 0 3 ． 8t 。 ( 4 )主顶的选择。通过顶力计算及考虑地下工程的复杂性及不可预见 因素，项管设备取 1 ． 5倍 左右的储备顶力，因管道的顶力为 8 2 0 ． 7 t ，故设备项进应力，取 F =8 2 0 ． 7 t X 1 ．--1 2 3 1 ． 0 5 t ， 考虑选 用 2 个千斤顶作为单管顶进动力设备，每个千斤顶的顶力为 6 3 0 t 。 ( 5 ) 经过验算及现场尺寸量测选定主项千斤顶对称布置 2 个，每个千斤顶的顶力确定为6 3 0 t 。 每台千斤顶规格一致，行程同步，油路并联，共同作用，均备有独立的控制阀。 ( 6 )后背墙受力验算。 工作井后背墙利用原设计现浇钢筋混凝土墙，尺寸为高3 m， 长 1 0 ．2 m， 厚 4 0 c mC 3 0 钢筋砼。 F = K p r h B q ( h l + 2 H q + h 2 ) f 2 q 式中： 为被动土压力系数 ， 取 2 ． 0 ： r 为土的重度 ( K N／m 。 ) ， 2 1 k N／m。 ； h为工作井深度 ( m) ， 8 ． 5 m；8 q为后背墙的宽度 ( m) ，1 O ． 2 m； 为后背墙的高度 ( m)3 m； 刁 ． 安全系数，取 2 ． 0 ；， 7 1 、 h 2 见图3 所示， 1 取 5 ． 5 m ，h 2 取 5 ． 5 m。 按上式计算可得，后背墙允许顶力 F = 1 5 4 7 ． 6 t ，满足 8 2 0 ． 7 t 施工顶力要求。 压力计算：在后背墙与千斤顶处设置一道 I m* I m的钢板，顶力为 8 2 0 ． 7 t ，则压力为 8 ． 2 MP a ， 小于 3 O MP a ，满足顶力要求。 剪力计算：C 3 0 砼的抗折强度为 5 Mp a ， 钢筋的抗剪强度为 1 2 Mp a ，后背墙所受剪力为4 ． 1 Mp a ， 故后背墙满足抗剪要求。 4 ． 2导轨安装 导轨是由两道平行的钢轨构成，主要作用是使推进管在工作井中有一个稳定的导向，并使推进 管沿该导向进入土体。本工程导轨采用 3 8 k g ／ m钢轨，轨底与型钢焊接成一体，安装时和工作井底 板预埋钢板焊牢，并用型钢支撑或用砼围牢。 导轨安装前要先复核管道中心位置，确保导轨的高程、 轴线位置准确。导轨定位必须稳固、正确，在顶进中承受各种负荷时不位移、部变形、部沉降。导 轨安装见图 4所示。 l o 4 ? j 一 — 、 ． c - — j lI ＼ 后 ‘ 、 ＼ ＼ O- 上 基蔗 工 图 3后背墙受力示意图 I l 3 2 I —— ———_ 导 轨 安 装 示 意 图 图 4导轨安装示意图 4 ． 3千斤顶安装 顶管采用 2台 6 3 0 t 等推力油缸，油缸行程为 6 0 c m，总推力为 1 2 6 0 t ，2只油缸固定在拼装式 油缸架上 ，下井 时整体吊装。安装在油缸架上的油缸 中心误差控制在 3 mm以内。主顶油缸架安装也 要位置准确，保证油缸受力点的位置准确 ，其高程和平面安装误差控制在 3 mm 以内。主顶设备主 要由主顶千斤顶、组合千斤顶架、液压动力泵站及管阀、顶铁组成。主要设备的安装、使用应符合 有关规范及施工规定。 4 ． 4顶管顶进施工 工作坑内设备安装完毕，经检查各部处于 良好状态，即可进行开挖和顶进。 因顶管是两根平行 管，为避免干扰，施工时先顶进一根，待施作完成后，再顶进另一根。 首先将管子下到导轨上 ，就位 以后，装好顶铁 ，检测管轴线和管底标高是否符合设计要求，合 格后即可进行管前端挖土。 项进利用千斤顶出镐，在后背墙满足顶管最大顶力不动 的情况下 ，将 圆管向前顶进 。顶进操作 过程为：安装好顶铁挤牢，管前端 已一定长度后 ，启动油泵 ，千斤项进油，活塞伸 出一个工作行程， 将管子推 向一定距离。停止油泵，打开控制阀，千斤顶回油，活塞回缩 。添加顶铁，重复上述操作， 顶管进至离坑边还有 5 0 c m左右时，应立即卸管，进行下一节管子安装。 重新装好顶铁，重复上述 操作。 顶进时应注意事项： ( 1 )顶进时应遵照 “ 先挖后顶 ，随挖随顶，控制进尺”的原则，应连续作业 ，避免中途停止， 造成阻力增大，增加顶进的困难 。 ( 2 )首节管子顶进的方向和高程，关系到整段顶进质量，应勤测量， 勤检查及时校正偏差。 ( 3 )安装顶铁应平顺无歪、斜 、扭现象，每次收回活塞加放顶铁时，应换用可能安放的最长顶 铁，使连接的顶铁数 目为最少。 ( 4 )顶进过程 中，发现管前土方坍塌、后背倾斜，偏差过大或油泵压力表指针骤增等情况， 应 停止顶进 ，查明原因，排除故障后 ，再继续顶进 。 ( 5 )每循环开挖长度 3 5 c m、顶进长度 3 0 c m，顶进过程中严格控制每循环进尺。 ( 6 )详细记录设备使用中有关的数据 ( 如油压、油表等) 。 管前挖土是保证顶进质量及地上建筑物安全的关键，管前挖土的方向和开挖形状，直接影响顶 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 3年第 4期 进管位的准确性，因为管子在顶进中是循 已挖好的土壁前进的，因此，管前周 围超挖应严格控制。 对于密实土质， 管端上方可有 1 ． 5 c m 空隙，以减少顶进阻力，管端下部 1 3 5 。 中心角范围内不得超挖， 保持管壁与土壁相平，也可预留 l c m 厚土层， 在管子顶管过程中切去，这样可防止管端下沉。 管前挖土深度，一般等于千斤项出镐长度，超挖过大，土壁开挖形状就不易控制，容易引起管 位偏差和上方土坍塌。 管内挖土工作条件差，劳动强度大，应组织专人轮流操作，并有足够的安全照明灯具。 管前若遇有孤石、大的混凝土块，需用冲击钻将其破碎后，在进行顶进。 管前挖出的土，及时外运 。采用人工推小推车出土，土运至管外，再用工作平台上的电动卷扬 机送至平台上，然后运出坑外。运出的废渣，暂时堆放在工作坑外 5 m 以外，并及时清理运输到指 定的弃渣地点。 4 ． 5测量与纠偏校正 ( 1 )顶管测量。顶管测量采用激光线测设法控制测量 。用激光经纬仪 ( 激光束导向)安装在工 作坑内，并按照管线设计的坡度和方向调整好，同时在管 内装上标示牌，当顶进的管道与设计位置 一 致时，激光点即可射到标示牌中心，说明顶进质量无偏差，否则根据偏差量进行校正。 全段顶完后，应在每个管节接 口处测量其 中心位置和高程 ，有错 口时，应测出错 口的高差 ，以 衡量全段高程与纵坡，高程与中心偏差应在允许值之 内。为保证管道光滑度要求，对于错 口处采用 砂浆抹平 。 ①施工过程中，按照设定的管道中心线和工作坑位建立地面与地下测量控制系统，控制点设在 不易扰动、视线清楚、方便校核的地方，并加以保护。 ②在顶进过程中，激光经纬仪从始至终进行跟踪测量，激光纠偏系统随时根据激光点的左右上 下进行纠偏。 ⑧在顶进第一节管 ( 工具管)时， 每顶进 1 0 ~2 0 e l l1 ． ，即对中心和高程测量一次； 在正常顶进中， 每顶进 5 0锄时测量一次。 ④高程测量：使用水准仪和高程尺，测首节管前端内底高程，以控制顶进高程；同时，测首节 管后端内底高程，以控制坡度。 ⑤激光的光束不仅给出了管道的顶进的水平方向，同时也在垂直方向上给出了正确的坡度和标 高。管道顶进过程 中施工人员可结合水平尺上光束指示的读数进行调整管前土方的去留，及时调整 管道轴线及标高。 ( 2 )纠偏校正。顶管偏差校正以预防为主，不能等到产生明显超差时地进行校正。顶进中发现 管位偏差 1 O mm左右，即应进行校正，纠偏校正应缓缓进行，采用小角度、顶进中逐渐纠偏，使管 子逐渐复位，不得猛纠硬调。具体纠偏可以采用 以下几种方法 ： ①挖土校正法 ：采用在不同部位调整挖土量的办法，以达到纠偏的 目的，这种方法校正误差范 围一般不大于 1 0 — 2 0 mm。施工中要不断总结经验， 调整挖掘范围， 保证顺利进行， 决不能盲 目掏挖造成 偏差， 也不可盲 目纠偏 以产生隐患。 ②强制校正法： 偏差范围大于2 0 mm时，采取千斤顶纠偏法。 超挖纠偏不起作用时，用小型千斤 顶在工具管尾端偏向的反侧 内管壁上，另一端斜撑在有垫板的管前土壁上 ，支顶牢固后，即可施工 加顶力。同时配合超挖纠偏法，边顶边支，直至使偏差回归。 ③衬垫校正法： 局部地基软弱、地基承载和不足而使管头底沉，这时结合顶木校正法同时在管底 12 徐秀梅 顶管施工技术在 市政排水工稗 中的麻用 下衬垫，换填砂石加工板等 以增加地基强度。 4 ． 6管道接口处理方法 管道接头应保证对管道导向环 的充分固定 接 口处理：由于顶管的管材为平型接 口，顶管完毕后，对于管与管之 间的缝隙，采用环氧泥砂 浆压实填抹。如果管道顶进完成后的压力试验导致管道泄漏，应在管道内部安装一个密封环，然后 还应进行接口的防水测试。 4 ． 7管道裂缝处理方法 在顶进过程 中，管道 因受力不均产生的裂缝，需进行处理。细微裂缝采用环氧砂浆进行填缝处 理 ，明显裂缝采用掺有铝粉的砂浆填缝处理 。 4 ． 8照 明及通讯 工作面 内采用 1 2 V安全 电压照明，电线沿管道 内壁敷设，采用防水型灯泡。 为保证井上人员和井下人员的联络，及时反馈施工的进展和遇到的问题，井上和井下人员配备 对讲机。 4 ． 9通 风 采用鼓风机通过通风管进行送风， 抽风机抽风 ，使操作空间行程循环风 。 风量 的计算： ( 1 )按洞内同时工作的最多人数计算 ： Q= 事 m 式中：Q为所需风量，m 3 ／ min ；K为风量备用常用系数，常取 k -- 1 ． 1 — 1 ．2 ：M为洞内同时工作的 最多人数 ；Q为洞 内每人每分钟需要新鲜空气量， 通常按 3 m3 ／ mi n 。 现管内有五人工作， 二人开挖， 三人负责运余泥， 取 k = 1 ． 1 ，m = 5 ，则有 O = k I ll q = 1 ． 1 5 3 = 1 6 ． s m。 ／ mi n 。 ( 2 )漏风计算。Q供 = P Q ，式中：Q为计算风量；P 为漏风系数，每百米漏风率一般可控制 在 2 ％以下，取 P = I ． 0 2 。 5 结语 成都红星路南延线改造北支渠排水工程顶管施工工期 4 5天 ，整个施工过程按设计要求顺利推 进，没有对现状道路和下穿隧道造成破坏 ，也避免了大开挖可能对复杂地下管线的破坏，相对与大 开挖施工更具优越性，对类似工程建设具有一定的借鉴意义。 Ap p l i c a t i o n o f P i p e J a c k i n g i n Mu n i c i p a l Dr a i n a g e P r o j e c t X U Xi u - me i ( C h i n a Ra i l w a y 1 8 B u r e a u G r o u p C o ． ， L t d T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 C h i n a ) A b s t r a c t ： I n t h e mu n i c i p a l d r a i n a g e p r o j e c t s ， t h e t e c h n i q u e o f p i p e j a c k i n g wh ic h i s n o t l a r g e l y e x c a v a t e d a n d i s e ffe c t i v e i n r e d u c i n g t h e i mp a c t t o t h e n e a r b y b ui l d i n g s ，r o a d s a n d p i p e n e t wor k s i s wi d el y u s e d a t p r e s e n t ． I n c o nn e c t i on wi t h t he s u c c e s s f u l a p p l i c a t i on o f pi p e j a c k in g in r e b u i ld i n g t h e n o r t h e r n b r a n c h s e we r o f H o n g x i n g S o u t h e r n R o a d i n C h e n g d u ， t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e t e c h n i c a l me a s u r e s a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n o lo g y o f p ip e j a c k i n g c o n s t r u c t io n ， wh i c h w i ll p r o v id e r e f e r e n c e f o r t h e s i mi l a r p r o j e c t s ． Ke y wo r d s ： mu n i c i p a l d r a i n a g e p r o j e c t s p i p e j a c k ing c o n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n 】 3